Régulation PID, faire de jolis graphiques 2/2

La dernière fois, je vous ai présenté une méthode essentiellement graphique, permettant une bonne approximation des paramètres PID de votre régulateur. Encore faut-il savoir comment tracer les graphiques, c’est ce que je me propose de vous expliquer dans cet article. Il est bien sûr évident que cette méthode peut être utilisée pour tracer des graphiques à partir de tout type de données, du moment que les données arrivent via un port série.
La première étape va consister à récupérer les données du port série sur un PC. Comme souvent, il existe plusieurs façon de faire, je vous présenterais celle que j’ai utilisé ici : un petit script python.

import serial
import sys

serialport = serial.Serial("/dev/ttyACM0", 9600, timeout=1)
line = []

while True:
    for c in serialport.read():
        line.append(c)
        if c == '\n':
            for s in line:
                f=open('myfile','a')
                sys.stdout.write(s)
                f.write(s)
                f.close
            line = []
            break

serialport.close()

Ce petit script prend les caractères arrivant sur le port série, jusqu’au caractère marquant la fin de ligne, puis écrit la ligne dans un fichier. Ca peut éventuellement suffire pour tracer un graphique… Mais dans ce cas précis, on veut pouvoir également envoyer une consigne au régulateur, la modifier afin de suivre la réaction de ce dernier. Problème : comment envoyer des données sans perturber la lecture des données et ne pas sauter de mesure ?
Là encore, il y a plusieurs méthodes possibles, certaines plus complexes que d’autres. Celle que j’ai choisi permet de garder un programme simple, mais ne fonctionnera que sous linux. Ceux sous un autre système chercheront du côté du multithreading…

import serial
import sys
import select

serialport = serial.Serial("/dev/ttyACM0", 9600, timeout=1)
line = []

while True:
        while sys.stdin in select.select([sys.stdin], [], [], 0)[0]:
          ligne = sys.stdin.readline()
          if ligne:
            print(ligne)
            serialport.write(ligne+'\r\n')
          else: # an empty line means stdin has been closed
            print('eof')
            exit(0)
        else:
            for c in serialport.read():
                    line.append(c)
                    if c == '\n':
                        for s in line:
                                f=open('myfile','a')
                                sys.stdout.write(s)
                                f.write(s)
                                f.close
                                line = []
                    break

serialport.close()

Ah oui, j’ouvre et ferme le fichier a chaque écriture, de manière à pouvoir accéder aux données pendant l’exécution du programme. Ca permet de visualiser l’évolution du graphique en temps réel.
Les données sont envoyées par le microcontrolleur sous la forme . Je n’ai pas de mesure de temps, chaque échantillon étant pris à un intervalle d’une seconde, il suffit de compter les échantillons pour connaître le temps écoulé.

Passons maintenant au graphique lui-même. Pour cela, j’utilise le logiciel Gnuplot, outil très puissant de tracé de courbes dont nous n’utiliseront ici qu’une infime quantité de ses possibilités. Lorsque vous lancez gnuplot en ligne de commande, vous vous retrouvez avec un shell dans lequel vous pourrez lancer vos commandes gnuplot.

plot 'myfile' using 1 smooth bezier title 'temperature', 
'myfile' using 2  with line title 'CO', 
'myfile' using 3 with line title 'Setpoint'
 plot 'myfile' using 1 

Indique que l’on va tracer une courbe correspondant aux données de la première colonne du fichier

smooth bezier

Indique que l’on veut lisser les données. Il n’est pas toujours intéressant de lisser les données, par exemple, ici la colonne 3 correspondant à la consigne n’est pas lissée, ce qui permet de visualiser le moment exact du changement de consigne. Par contre, dans le cas des valeurs mesurées, cela permet de s’affranchir du bruit sur les mesures.

title 'temperature'

Légende de la courbe. Pratique dès qu’il y a plus d’une courbe.

Par défaut, gnuplot va afficher le résultat à l’écran. Pour pouvoir enregistrer le résultat dans un fichier il faut taper les instructions suivantes :

set terminal "png"
set output "monfichier.png"
replot

Nota : avec la commande replot (ou avec le bouton replot de la gui), vous pouvez rafraîchir les données affichées, de manière à visualiser en continu vos données…
Il y a certainement plein d’amélioration possibles à ma méthode, mais je vous la présente car elle a le mérite d’être simple et rapide à mettre en oeuvre, tout en fournissant de bons résultats :)

Régulation PID, comment la régler 1/2

Étant donné que je n’ai pas encore tout le matériel nécessaire pour avancer mes autres projets, j’en profite pour approfondir un peu mes connaissances théoriques et vous en fait donc profiter. Mon projet ici est simple : Réguler une température à l’aide d’un microcontrolleur, mais surtout bien comprendre les tenants et aboutissements des différents réglages et algorithmes. L’objectif ici n’est pas tant d’expliquer ce qu’est un PID, ni comment il fonctionne dans le detail, mais plutôt de donner une méthode permettant d’approximer les coefficients du régulateur.

Je profiterais de cette expérience pour faire 2 articles :
– celui-ci concernant le PID a proprement parler
– Un second article concernant ma méthode pour obtenir des courbes « lives » a partir d’un arduino et d’un PC.

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Thermomètre Nixie Steampunk

Fan de ce style depuis pas mal de temps déjà, c’est ma première réalisation concrète. L’idée était de réaliser un (joli) thermomètre d’ambiance, histoire de savoir quelle température il fait dans la pièce. J’avais déjà réalisé un thermomètre à tubes Nixies, mais ce dernier avait deux défauts : les tubes n’étaient pas centrés sur le pcb, et il consommait un peu trop pour avoir envie de le laisser allumé en permanence (et en plus, il n’était pas « habillé »…).

Du coups, la première étape de cette réalisation a été de refaire un pcb complet. Pas simplement déplacer les tubes, j’en ai profité pour alléger le tout, histoire de supprimer les composants qui n’étaient pas nécessaires. En effet, sur la version précédente, j’utilisais un NE555 pour générer les impulsions nécessaires à la haute tension. Désormais cette tâche est réalisée par le microcontrolleur lui-même.

Schéma thermomètre Nixie

Schéma thermomètre Nixie

Quitte a devoir reprogrammer le microcontrolleur pour rajouter la génération de la haute tension, j’en ai profité pour tout ré-écrire en avrc. Ca me permet d’avoir un timing très précis, autant sur la génération du signal HT que sur le multiplexage des tubes. (La fréquence est importante pour la génération de la haute tension car elle joue pour beaucoup dans le rendement). Mon code aurais pu être grandement optimisé si j’avais un peu mieux réfléchi à mes branchements, mais sur ma version, je m’étais trompé sur certaines liaisons (ce qui expliquera les fils visibles sur les photos). Le schéma proposé corrige ces erreurs.

tarthermomètre nixie (AVRC)

 

Thermomètre à tube Nixie Steampunk

Thermomètre à tube Nixie Steampunk

Pour l’habillage, je me suis fait un peu plaisir. Les deux « chapeaux » sont en laiton, que j’ai tourné, moitié façon meca, c’est à dire en utilisant le tour de manière traditionnelle, moitié à main levée à l’aide d’une lime (pour les arrondis notamment). Le reste de l’accastillage est composé de différents tubes de laitons, diamètre 5 et 3mm, que l’on trouve facilement en magasin de modélisme.
Le tube est quand a lui un tube de plexyglass acheté pour l’occasion.

Socle vu de dessous

Socle vu de dessous

Le socle a été tourné dans un beau morceau de chêne, par un ami car je ne disposais pas de tour à bois, et le tour à metal n’est vraiment pas adapté à ce genre d’opérations. Le plot du milieu est assez profond pour que le tube laiton soit bien maintenu, mais ne va pas jusqu’en bas pour pouvoir laisser passer les fils. J’ai repris ensuite le socle tourné pour le fraiser afin de fixer le connecteur d’alimentation, et fait les 4 perçages nécessaires (2 pour les tubes verticaux, un pour le capteur de température, et un pour le connecteur d’alim).

Détail du capteur de température

Détail du capteur de température

Le capteur de température utilisé est un LM35. Pas particulièrement esthétique donc. Pour le masquer, je l’ai donc glissé à l’intérieur d’une douille de 22lr qu’un ami tireur m’a gentiment fourni. Le capteur est fixé à l’intérieur à la colle à chaud.

En fonctionnement

En fonctionnement

DIY – shield PWM

Bon, petit montage pas bien compliqué à la demande d’un client : pouvoir utiliser tous les canaux PWM d’un arduino Uno, avec de la puissance.
Vous l’aurez deviné, un petit mosfet piloté par le PWM et le tour est (presque) joué. On y ajoute une diode de flyback (si on veut pouvoir y connecter par la suite des charges inductives), et des connecteurs, le tour est joué.

Shield PWM Arduino

Shield PWM Arduino

Bien sûr, il ne faut pas oublier l’alimentation de l’arduino (on utilisera un 7805 tout bête pour ça, accompagné d’un condensateur pour le lissage), ainsi qu’une petite diode signalant que le montage est en fonctionnement.
La charge que vous pourrez connecter à ce montage dépendra directement des mosfets choisis : 100v jusqu’à 9A dans mon cas, avec des IRF520. (Bon, en vrai les pistes du PCB ne devraient tenir que jusqu’à 4 ampères environ)
L’intérêt de ce montage, outre le fait de pouvoir piloter des moteurs CC, est de piloter les guirlandes de led RGB. En effet, en utilisant 3 cannaux, vous pilotez chaque composante de votre ruban de led, et la puissance disponible permet d’alimenter des rubans de grande longueur.

 

Shield PWM avec led RGB

Shield PWM avec led RGB

DIY – Générateur de Marx

C’est pas encore l’heure des bonnes résolutions, mais je renoue ici avec une de mes passion premières, un peu délaissée ces derniers temps : la haute tension.
Le montage auquel je me suis attaqué aujourd’hui est assez simple dans son fonctionnement, il s’agit d’un générateur de Marx, qui permet de multiplier une tension. L’avantage de ce montage, est qu’outre sa simplicité, la tension de sortie est directement proportionnelle au nombre d’étages mis en jeux (aux pertes près).

Générateur de Marx

Générateur de Marx

Le concept consiste à charger X condensateurs en parallèles, et les décharger en série. Pour arriver à un pareil résultat, on va utiliser des éclateurs. En effet, tant que la tension  aux bornes du condensateur ne dépasse pas une certaine tension, rien ne se passe, les condensateurs se chargent tranquillement, et la tension à leurs bornes augmente peu à peu.

Charge

Charge

 

Mais lorsque cette tension est atteinte, un arc électrique se produit sur l’éclateur, qui deviens ainsi conducteur.

Décharge. En bleu ciel, les arcs électriques

Décharge. En bleu ciel, les arcs électriques

(oui, désolé pour les couleurs un peu flashy, ça pique les yeux, je sais)
Pour que ça fonctionne (bien), il y a tout de même quelques paramètres importants à respecter. Déjà, il faut que la tension d’alimentation soit suffisamment élevée pour pouvoir produire un arc électrique, sinon les éclateurs ne fonctionneront pas. Ensuite, les résistances de charges. J’ai un peu galéré pour trouver des résistances correctes pour ce montage. Au début, j’étais partis avec des résistances couches carbone (les classiques), mais rapidement les arcs sont passés par le côté de la résistance, détruisant celles-ci. J’ai ensuite voulu utiliser des résistances de puissances en céramique. Mauvaise idée : elles ont été détruites en totalité sur un seul shoot. Je suspecte plus la déflagration d’avoir endommagé l’intérieur que la chauffe proprement dite car elles étaient sensées tenir plus que les couches carbone, ce qui n’aura pas été le cas ici. Finalement, j’ai utilisé des résistances bobinées de puissances, et après quelques dizaines de minutes de fonctionnement, tout à l’air en ordre de marche. Dernier point, la distance entre les éclateurs est relativement importante, c’est d’elle que dépendra la « tension de claquage »

Mon générateur de Marx

Mon générateur de Marx

Comme on peut le voir sur la photo, mon générateur est constitué de 6 étages, ce qui multiplie donc par 6 la tension d’entrée… En théorie. En effet, mes éclateurs étant difficiles à régler, ma tension de claquage est assez loin du maximum débité par mon alimentation. Au final, je dois arriver à une tension de 10Kv par condensateur, soit 60Kv en sortie.
Les éclateurs sont de simples fils de cuivre recourbés, passés au papier de verre pour enlever l’émail.

Le générateur en action

Le générateur en action. Le père Noël fait 12cm

Petit détail pour ceux qui serais tentés par l’expérience, et qu’il est difficile de rendre sur une photo : C’est extrêmement bruyant !! (genre mitraillette dans le salon)